Java 中的数据结构--简单汇总

目录

[✅ 一、线性数据结构](#✅ 一、线性数据结构)

[1. 数组（Array）](#1. 数组（Array）)

[2. ArrayList（动态数组）](#2. ArrayList（动态数组）)

[3. LinkedList（双向链表）](#3. LinkedList（双向链表）)

[✅ 二、集合类结构（Collection Framework）](#✅ 二、集合类结构（Collection Framework）)

[1. List（有序可重复）](#1. List（有序可重复）)

[2. Set（无序不可重复）](#2. Set（无序不可重复）)

[3. Map（键值对，键唯一）](#3. Map（键值对，键唯一）)

[4. 树（Tree）](#4. 树（Tree）)

[5. 图（Graph）](#5. 图（Graph）)

[6. 堆（Heap）](#6. 堆（Heap）)

[✅ 三、队列和栈结构（Queue / Stack）](#✅ 三、队列和栈结构（Queue / Stack）)

[1. Queue（队列）](#1. Queue（队列）)

[2. Stack（栈）](#2. Stack（栈）)

[✅ 四、并发数据结构（java.util.concurrent）](#✅ 四、并发数据结构（java.util.concurrent）)

[✅ 五、特殊结构与工具类](#✅ 五、特殊结构与工具类)

[✅六、Streams（Java 8）](#✅六、Streams（Java 8）)

数据结构操作------时间复杂度

具体如下：

Java 中的数据结构主要包含在以下几个核心包中：

java.util
java.util.concurrent
java.util.stream
以及 Java 原生数组类型

线性结构 、非线性结构 、集合框架结构 、并发结构 等Java 中常用的数据结构：

✅ 一、线性数据结构

1. 数组（Array）

定长，支持随机访问，性能高
适合元素个数已知且不频繁变动的场景

java 复制代码

int[] arr = new int[10];

描述：数组是固定大小的线性数据结构，用于存储相同类型的元素，元素在内存中是连续存储的。

优点：

访问速度快，支持O(1)的随机访问。

内存使用效率高，存储密度大。

缺点：

大小固定，无法动态扩展。

插入和删除操作复杂，需要移动大量元素。

适用场景：适用于需要频繁访问元素且元素数量已知的场景，如存储固定大小的数据集。

2. ArrayList（动态数组）

实现了 List 接口，底层使用动态数组
查询快，插入删除慢（涉及数组复制）

3. LinkedList（双向链表）

实现了 List 和 Deque 接口
插入删除快，查询慢

描述：链表由节点组成，每个节点包含数据和指向下一个节点的引用。链表可以是单向或双向的。

优点：

动态大小，易于插入和删除操作（O(1)）。

不需要连续的内存空间。

缺点：

访问速度较慢，查找元素的时间复杂度为O(n)。

额外的内存开销用于存储指针。

适用场景：适用于需要频繁插入和删除操作的场景，如实现队列或栈。

✅ 二、集合类结构（Collection Framework）

Java 的集合框架主要分为三大体系结构：List、Set、Map。

Java的集合框架提供了多种数据结构的实现，主要包括：

List （如ArrayList、LinkedList）

描述：有序的元素集合，允许重复元素。

优点：支持随机访问（ArrayList），插入和删除操作灵活（LinkedList）。

缺点：ArrayList在插入和删除时性能较低，LinkedList在随机访问时性能较低。

Set （如HashSet、TreeSet）

描述：不允许重复元素的集合。

优点：HashSet提供快速查找，TreeSet提供有序性。

缺点：HashSet不保证元素的顺序，TreeSet的性能较低（O(log n)）。

Map （如HashMap、TreeMap）

描述：键值对集合，允许根据键快速查找值。

优点：HashMap提供O(1)的查找速度，TreeMap提供有序性。

缺点：HashMap在多线程环境下不安全，TreeMap的性能较低（O(log n)）。

1. List（有序可重复）

类型	底层结构	特点
`ArrayList`	动态数组	查询快，增删慢
`LinkedList`	双向链表	查询慢，增删快
`Vector`	线程安全的动态数组	几乎被淘汰，效率低

2. Set（无序不可重复）

类型	底层结构	特点
`HashSet`	Hash 表（HashMap 实现）	插入快，元素无序
`LinkedHashSet`	Hash 表 + 双向链表	有插入顺序
`TreeSet`	红黑树	元素有序，支持范围查找
`EnumSet`	位向量	用于枚举类型集合，性能极佳

3. Map（键值对，键唯一）

类型	底层结构	特点
`HashMap`	哈希表	无序，允许空键值
`LinkedHashMap`	HashMap + 链表	有插入顺序
`TreeMap`	红黑树	键有序
`Hashtable`	线程安全	过时，不推荐使用
`ConcurrentHashMap`	分段锁	并发场景下的高性能 Map
`WeakHashMap`	弱引用键	用于缓存，键被 GC 回收后自动删除

哈希表（Hash Table）

描述：哈希表是一种基于哈希函数的键值对存储结构，支持快速查找、插入和删除操作。

优点：

查找速度快，平均时间复杂度为O(1)。

动态扩展能力，适合存储大量数据。

缺点：

可能发生哈希冲突，需要处理冲突的机制（如链地址法、开放定址法）。

内存使用可能较高，特别是在负载因子低时。

适用场景：适用于需要快速查找和频繁插入的场景，如缓存、索引等。

4. 树（Tree）

描述：树是一种分层数据结构，由节点组成，每个节点有零个或多个子节点。

优点：

适合用于表示分层关系的数据。

可以高效地进行查找、插入和删除操作（如二叉搜索树）。

缺点：

实现复杂，特别是平衡树（如AVL树、红黑树）。

适用场景：适用于表示层次结构的数据，如文件系统、组织结构等。

5. 图（Graph）

描述：图是一种由节点（顶点）和边组成的数据结构，可以表示复杂的关系。

优点：

灵活表示各种关系，适合表示网络结构（如社交网络、地图等）。

可以实现多种算法，如最短路径、最小生成树等。

缺点：

实现和操作复杂，特别是稠密图和稀疏图。

可能需要较多的内存。

适用场景：适用于表示复杂关系的数据，如社交网络、交通网络等。

6. 堆（Heap）

描述：堆是一种特殊的树形数据结构，分为最大堆和最小堆，主要用于实现优先队列。

优点：

支持快速获取最大值或最小值（O(1)）。

插入和删除操作效率高（O(log n)）。

缺点：

不支持随机访问。

实现较复杂。

适用场景：适用于需要动态获取最大值或最小值的场景，如任务调度、图算法等。

✅ 三、队列和栈结构（Queue / Stack）

1. Queue（队列）

类型	特点
`PriorityQueue`	优先队列，最小堆实现
`ArrayDeque`	双端队列，替代 `Stack`
`LinkedList`	也可作为队列使用
`BlockingQueue`（接口）	支持阻塞操作，用于并发

实现类：

ArrayBlockingQueue
LinkedBlockingQueue
PriorityBlockingQueue
DelayQueue
SynchronousQueue

描述：队列是一种先进先出（FIFO）的数据结构，支持入队（enqueue）和出队（dequeue）操作。

优点：

操作简单，使用方便，适合任务调度。

可以实现循环队列以节省空间。

缺点：

只能访问队头元素，其他元素不可直接访问。

如果使用数组实现，可能会导致空间浪费。

适用场景：适用于任务调度、缓冲区等场景。

2. Stack（栈）

Stack 类：继承 Vector，线程安全，已被 Deque 替代
推荐使用 Deque 的 ArrayDeque 实现 LIFO 结构：

java 复制代码

Deque<Integer> stack = new ArrayDeque<>();

描述：栈是一种后进先出（LIFO）的数据结构，支持入栈（push）和出栈（pop）操作。

优点：

操作简单，使用方便，支持递归调用。

适合用于回溯算法。

缺点：

只能访问栈顶元素，其他元素不可直接访问。

如果栈的实现使用数组，可能会导致栈溢出。

适用场景：适用于表达式求值、撤销操作、函数调用等场景。

✅ 四、并发数据结构（`java.util.concurrent`）

用于高并发场景，线程安全、性能优越：

类型	描述
`ConcurrentHashMap`	高性能线程安全的 Map
`CopyOnWriteArrayList` / `CopyOnWriteArraySet`	写时复制集合，读多写少场景
`ConcurrentLinkedQueue`	非阻塞队列，CAS 实现
`BlockingQueue`	支持阻塞的线程安全队列

✅ 五、特殊结构与工具类

类型	描述
`BitSet`	位集合，节省空间，支持位操作
`Properties`	继承 `Hashtable`，用于配置文件
`EnumMap` / `EnumSet`	针对枚举类型优化的集合
`TreeMap` / `TreeSet`	红黑树结构，天然排序
`Collections` / `Arrays`	工具类，提供排序、查找、同步包装等静态方法

✅六、Streams（Java 8）

虽然不是传统意义上的数据结构，但 Stream 流可以操作集合数据结构：

java 复制代码

List<String> list = Arrays.asList("a", "b", "c"); list.stream().map(String::toUpperCase).collect(Collectors.toList());

数据结构操作------时间复杂度

数组访问

时间复杂度：O(1)

链表访问

时间复杂度：O(n)

栈操作（push/pop）

时间复杂度：O(1)

队列操作（enqueue/dequeue）

时间复杂度：O(1)

哈希表查找、插入、删除

时间复杂度：O(1)（平均情况），O(n)（最坏情况）

平衡树（如AVL树、红黑树）操作

时间复杂度：O(log n)

二叉搜索树（BST）操作

时间复杂度：O(n)（最坏情况），O(log n)（平均情况）